7.4 Vår
7.4.7 Vårs forestilling om forståelse i matematikk
5.2.1 - Considerações iniciais
A Tabela 5.4 apresenta as principais características dos ensaios realizados para a água do tipo II. Nesses ensaios o valor de pH da amostra não foi alterado, permanecendo em torno da neutralidade (pH=7) em função das características do material lisado. A pressão de trabalho em todos os ensaios foi de cerca de 689kPa, vazão de alimentação constante igual a 3,6 L/min e velocidade tangencial de cerca de 0,4 m/s. A temperatura da água foi mantida próxima de 25°C.
O volume de amostra coletado para análise da concentração de saxitoxinas foi de 200 ml para cada amostra, tanto do permeado, quanto do concentrado. O maior volume de amostra coletada em relação aos ensaios com β-estradiol foi motivado pela possibilidade de se fazer necessário uma etapa de concentração e purificação da amostra para determinação de
saxitoxinas por CLAE. No entanto, essa etapa não se fez necessária em função dos limites de detecção do equipamento. Além disso, testes preliminares do procedimento de purificação e concentração mostraram uma falta de reprodutibilidade no processo, que prejudicariam a interpretação dos resultados.
Tabela 5.4 – Principais resultados dos ensaios de nanofiltração para água tipo II, pH≈7. Membrana tipo A Membrana tipo B Ensaio Ensaio MAC5 Ensaio MAC6 Ensaio MCP6 Ensaio MCP7 Duração do ensaio (h) 10 10 10 10 Valor de pH 6,9-7,1 7,1-7,3 6,6-7,4 7,0-7,5 Temperatura da água no
reservatório durante o ensaio propriamente dito
24°C-26°C 25°C-26°C 25°C-27°C 25°C-26°C
Vazão do permeado durante a
compactação (a) (mL/min) 4,8 5,5 7,5 6,0 Média da vazão do permeado
durante ensaio (mL/min) 2,7 3,0 4,1 3,6
Concentração final do permeado
de Neo-STX (µg/L) 22,8 35,6 43,7 57,7 Concentração inicial do concentrado (µg/L) (b) Neo-STX 63,7 76,5 68,6 85,9 dC-STX 9,2 8,0 7,1 4,4 STX 8,2 8,8 8,4 5,0 Concentração final do concentrado (µg/L) (c) Neo 39,8 53,4 56,3 64,3 dC-STX 9,4 7,2 9,0 7,8 STX 7,2 7,8 9,0 6,9
(a) compactação (condicionamento) realizado durante 1 hora com água mili-Q sob pressão de 1000kPa; (b)medida pela amostra coletada no reservatório de alimentação; (c)medida pela
amostra coletada no concentrado.
A primeira observação geral é que a cepa T3 de Cylindrospermopsis raciborkii cultivada no LAA produz mais Neo-STX do que STX e dc-STX, já que as concentrações iniciais de Neo-STX no reservatório de alimentação, na maioria dos ensaios, foram cerca de 9 vezes maiores do que para as demais variantes analisadas.
Com relação ao comportamento operacional a membrana composta apresentou maior fluxo de permeado do que a membrana de acetato de celulose. Segundo o fabricante, para a membrana de acetato de celulose (tipo A), a taxa de fluxo de permeado é de 47,5 L/m2/h em 1517kPa e para a membrana composta tipo B é de 37,35 L/m2/h em 689kPa. Como os
dados do fabricante foram fornecidos em pressões diferentes, pode-se esperar que em pressão similar a membrana composta produza maior fluxo, mesmo considerando que a membrana composta utilizada neste trabalho é um pouco mais hidrofóbica (ângulo de contato de 58,3°) do que a de acetato de celulose (54,2°), pois a diferença é pequena.
As taxas de fluxos de permeado em água deionizada, obtidos no presente estudo na fase de condicionamento sob pressão de trabalho de 1000kPa foram de 20,6 e 23,6 L/m2/h para a membrana de acetato de celulose (tipo A) e de 32,1 e 25,7 L/m2/h para a membrana composta (tipo B). Não se pode comparar diretamente esses valores com os dados do fabricante. No entanto, esperava-se um fluxo maior para a membrana tipo B já que a pressão de trabalho era maior que a pressão de referência do fabricante. O fato da taxa de fluxo ter sido medido na primeira hora (o sistema podia não estar completamente estabilizado), as diferenças comuns entre diferentes cortes de membrana e as diferenças entre a produção em sistemas diferentes (módulo espiral, plano, etc) podem ser a explicação para essas diferenças.
Nos dois tipos de membrana, a vazão do permeado durante a fase de condicionamento foi maior do que no ensaio de nanofiltração propriamente dito, o que era de se esperar já que a pressão na compactação era maior e a água era pura. Não foi verificada redução do fluxo de permeado durante o tempo de duração de nenhum dos ensaios apresentados na Tabela 5.4, o que leva a crer que não houve problema de obstrução e nem mudanças nas características físicas da membrana, por exemplo, diminuição do tamanho de poros, que pudessem levar a diminuição do fluxo do permeado.
Comparando a vazão do permeado entre os ensaios com um mesmo tipo de membrana, verificou-se uma variação na vazão do permeado na fase de condicionamento tanto entre as membranas de acetato, quanto entre as membranas compostas, o que parece ser normal para membranas de cortes diferentes, já que as variações foram proporcionais também durante os ensaios de nanofiltração.
Levando em consideração a área de 140 cm2 da membrana obtem-se uma taxa de fluxo de permeado de 11,7 L/m2.h. e 12,73 L/m2.h durante os ensaios de nanofiltração com a membrana de acetato de celulose (tipo A) e taxas de fluxo maiores, 17,66 L/m2.h e 15,51 L/m2.h, para as membranas compostas (tipo B). É interessante observar que os fluxos de
permeado no caso dos ensaios com β-estradiol (Tabelas 5.1 e 5.2) foram próximos a esses valores, principalmente para a membrana composta.
Considerando que a vazão do concentrado foi mantida constante em todos os experimentos (3,6 L/min), a taxa de recuperação de água (vazão permeado/vazão concentrado) nos ensaios da água tipo II foi cerca de 0,1%, considerada muito baixa se comparada a módulos comerciais (10% ou mais dependendo do arranjo), da mesma forma que ocorreu para os ensaios com β-estradiol, já comentado no item 5.1.
As Figuras 5.9 e 5.10 apresentam as concentrações de saxitoxinas no permeado e no concentrado ao longo da duração de cada ensaio apresentado na Tabela 5.4.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 12 tempo (h)
concentrado Neo permeado Neo
concentrado dC-STX concentrado STX s ax itox inas ( µ g/ L) (a) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 12 tempo (h)
concentrado Neo permeado Neo
concentrado dC-STX concentrado STX s ax itox inas ( µ g/ L) (b)
Figura 5.9 - Ensaios de nanofiltração para água tipo II (mili-Q+saxitoxinas) e pH≈7, pressão=689kPa, velocidade tangencial=0,4 m/s. (a) ensaioMAC5-membrana de acetato de
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 12 tempo (h)
concentrado Neo permeado Neo
concentrado dC-STX Concentrado STX sa xi to xi n a s ( µ g /L ) (a) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 12 tempo (h)
concentrado Neo permeado Neo
concentrado dC-STX concentrdo STX s ax itox inas ( µ g/ L) (b)
Figura 5.10 - Ensaios de nanofiltração para água tipo II (mili-Q+saxitoxinas) e pH≈7, pressão=689kPa, velocidade tangencial=0,4 m/s. (a) ensaio MCP6-membrana composta
(tipo B), (b) ensaio MCP7 – membrana tipo B
Avaliando-se qualitativamente o comportamento das membranas, observa-se que, no caso das membranas de acetato de celulose (Figura 5.9), a variante Neo-STX apresentou uma diminuição de concentração no concentrado ao longo do tempo de duração do ensaio e, também, uma leve diminuição de concentração no permeado. Nas membranas compostas (Figura 5.10), a concentração de Neo-STX no permeado tendeu a permanecer constante, ao passo que a concentração no concentrado apresentou um intenso decaimento inicial e posteriormente uma tendência a estabilização. Para os dois tipos de membranas o decaimento da concentração do concentrado sugere a ocorrência do fenômeno de adsorção
de Neo-STX nas membranas. Os dados sugerem que a membrana composta trabalhou muito próximo do equilíbrio após 2 a 4h de operação, enquanto que a membrana de acetato de celulose não atingiu o equilíbrio de adsorção de Neo-STX até 10h de operação do sistema.
No caso das variantes STX e dc-STX o comportamento foi diferente. Para essas saxitoxinas a concentração do concentrado permaneceu mais constante ao longo do tempo para a membrana de acetato de celulose (tipo A), com uma tendência a elevar-se com o tempo no caso dos ensaios com membrana composta (tipo B), sugerindo que, praticamente, não houve adsorção desses compostos nas membranas. É interessante observar que para o β-estradiol, com concentrações iniciais na alimentação mais próximas dessas variantes e também peso molecular mais semelhante, houve tendência a adsorção nos dois tipos de membrana. No entanto, não se pode afirmar que essas duas variantes de saxitoxinas (STX e dc-STX) não tenham tendência a adsorção nas membranas estudadas, pois o fato da Neo- STX se apresentar em maior concentração pode ter influenciado na competitividade por pontos adsortivos da membrana, além de que as características da Neo-STX podem ser mais favoráveis a adsorção nessas membranas do que as outras variantes de saxitoxinas medidas.
Além disso, a concentração tanto da STX quanto da dC-STX no permeado ficaram abaixo do limite de detecção do HPLC (3 µg/L) na maioria do tempo de duração do ensaio, por isso não foram apresentadas nas Figura 5.9 e 5.10. Somente para a membrana composta (tipo B), no ensaio MCP6, as concentrações de dc-STX e STX no permeado na décima hora foram iguais a 3,7 e 3,5 µg/L, respectivamente. No ensaio MCP7 da membrana composta (tipo B), também na décima hora, a concentração de dc-STX no permeado foi de 3,2 µg/L e a de STX continuou abaixo do limite de deteccção.
5.2.2 - Eficiência de remoção e mecanismos
A partir dos dados e das observações iniciais sobre os ensaios com a água do tipo II, descritas no item 5.2.1, são discutidos no presente item as hipóteses sobre os mecanismos atuantes na remoção das saxitoxinas pelas membranas estudadas e alguns fatores que podem ter influenciado esses mecanismos. Salienta-se que seria necessário um número maior de repetições dos ensaios para se chegar a uma conclusão definitiva a cerca do
comportamento das membranas e das saxitoxinas no processo de remoção deste contaminante.
Diferentemente dos ensaios com β-estradiol, onde a água de alimentação era composta apenas do contaminante β-estradiol e água deionizada, nos ensaios voltados para avaliação da remoção de saxitoxinas (STX, dc-STX e neo-STX) estão presentes na água tipo II outros compostos intracelulares dissolvidos originados da lise das células de Cylindrospermopsis raciborkii cultivadas, além, provavelmente, de outras variantes de toxinas não identificadas. A presença, portanto, de outros compostos intracelulares pode ter interferido na remoção das saxitoxinas analisadas neste trabalho, mas ao mesmo tempo cabe mencionar que vários compostos não conhecidos foram, também, removidos de forma eficiente no processo, o que é importante quando se considera que a água de abastecimento deve ser desinfetada e que os compostos intracelulares das algas e cianobactérias são considerados precursores de sub-produtos potencialmente tóxicos da desinfecção.
Um exemplo claro da remoção de outros compostos intracelulares vem da observação visual da coloração do permeado com o tempo de duração do ensaio. A cor amarela/esverdeada típica do cultivo foi eliminada dando lugar a um permeado de aspecto transparente e incolor, indicando a remoção de pigmentos que causavam cor. Esse aspecto pode ser visualizado na Figura 5.11.
Figura 5.11 - Amostra de permeado coletada na décima hora de duração do ensaio e de concentrado coletada no início do ensaio de remoção de saxitoxinas por nanofiltração.
Outro exemplo de remoção de outros compostos intracelulares vem da observação dos cromatogramas gerados durante a detecção de saxitoxinas (STX, dc-STX, neo-STX). Verifica-se nos cromatogramas da Figura 5.12, a presença de vários picos no concentrado que não estão presentes no permeado, que são outros compostos orgânicos ou outras variantes de saxitoxinas. Esses compostos parecem ter sido quase que completamente removidos pela membrana de acetato de celulose (tipo A) e bastante reduzidos para membrana composta (tipo B), visto por suas curvas do permeado nos cromatogramas. Apesar de ter sido apresentado apenas um exemplo, esse comportamento, de uma forma geral foi verificado em todos os ensaios mostrados nas Figuras 5.9 e 5.10.
0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 min 0 1000 2000 3000 4000
5000 Ensaio MAC5- membrana
tipo A-Permeado-10h Ensaio MAC5- membrana
tipo A-Concentrado-10h “X” Neo- STX dc-STX STX mV (a) 0. 0 2. 5 5. 0 7. 5 10.0 12.5 min 0 1000 2000 3000 4000 5000 Ensaio MCP6- membrana tipo B-Concentrado-10h Ensaio MCP6- membrana tipo B-Permeado-10h “X” Neo- STX dc-STX STX mV (b)
Figura 5.12 - Cromatogramas de ensaios de nanofiltração. (a) ensaio MAC5 para a membrana de acetato de celulose (tipo A); (b) ensaio MCP6 para a membrana composta (tipo B).
Acredita-se que o pico identificado como “X” na Figura 5.12 possa ser um conjunto de variantes de saxitoxinas GTX. Em um teste preliminar, que consistiu da injeção de um padrão de GTX no CLAE usando a fase móvel e demais condições cromatográficas para detecção de STX, dc-STX e Neo-STX, obteve-se um pico no mesmo tempo de retenção do pico “X”. Importante comentar que para efetiva quantificação das variantes de GTX seria necessária nova injeção das amostras com fase móvel e condições cromatográficas apropriadas, diferentes da utilizada neste trabalho.
Para as variantes Neo-STX, STX e dc-STX, a remoção de saxitoxinas pelas membranas foi calculada com base na equação 4.1, apresentada no Capítulo 4. Como as réplicas apresentaram comportamentos qualitativos semelhantes foram escolhidos para a análise o ensaio MAC6 da membrana de acetato de celulose (tipo A) e o ensaio MCP7 da membrana composta (tipo B) por apresentarem porcentagens de remoções mais conservadoras. As curvas de remoção ao longo do tempo de duração desses ensaios são apresentadas na Figura 5.13. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 12 tempo (h)
remoção Neo-STX-Membrana tipo B remoção Neo-STX-Membrana tipo A
R em oç ão de N eo- S T X ( % )
Figura 5.13 - Remoção de Neo-STX para água tipo II (mili-Q+material da lise celular incluído saxitoxinas), pH≈7. Ensaio MAC6 - membrana tipo A e ensaio MCP6-membrana
tipo B.
Como pode ser observado na Figura 5.13, a remoção apresentada é apenas da variante Neo-STX, já que as concentrações de dc-STX e STX nos permeados ficaram, em sua maioria, abaixo do limite de detecção do CLAE (3 µg/L). Dessa forma não foi possível calcular a remoção dessas variações de saxitoxina. Lança-se aqui, tendo em vista o comportamento da membrana composta na décima hora de operação do ensaio MCP6, em
que detectou a concentração de dc-STX e STX no permeado iguais a 3,7 e 3,5 µg/L, respectivamente, a hipótese de que a membrana composta utilizada neste trabalho apresenta menor eficiência de remoção para essas variantes do que a membrana de acetato de celulose. Para comprovar essa hipótese, seria necessário trabalhar com água bruta com concentrações de STX e dc-STX maiores que as avaliadas neste trabalho, se fossem mantidos os valores de todos os outros parâmetros.
A membrana composta (tipo B) apresentou porcentagem de remoção final de Neo-STX, nos ensaios com valor de pH em torno de 7, de aproximadamente 10%, enquanto que para a membrana de acetato de celulose (tipo A) a remoção de Neo-STX foi de cerca de 33%. As porcentagens de remoções foram menores do que para o β-estradiol nos ensaios sem correção de pH. No entanto, as curvas de remoções dos ensaios para saxitoxinas (Figura 5.13) tenderam a ser constantes ao longo do tempo de duração dos ensaios, enquanto que nos ensaios com o β-estradiol sem correção de pH, as curvas apresentaram tendência decrescente ao longo do tempo de duraçao dos ensaios. Dessa forma, não se podem comparar os valores absolutos de porcentagens de remoção entre os ensaios com β- estradiol e saxitoxinas. Além disso, o fato de a concentração inicial de Neo-STX ser bem maior do que a concentração de β-estradiol e de existirem outros interferentes na água de Estudo tipo II (que continha a saxitoxinas), pode ter influenciado no processo de remoção das saxitoxinas tanto positivamente quanto negativamente.
Cabe destacar, também, que, apesar dos dois compostos serem orgânicos e apresentarem pesos moleculares semelhantes, a estrutura molecular e grupos funcionais são diferentes e, portanto, o comportamento na nanofiltração tende também a ser diferente. Nesse sentido, cabe salientar duas diferenças entre o β-estradiol e as saxitoxinas que parecem, segundo a literatura analisada no Capitulo 3, interferir na remoção de compostos orgânicos. As saxitoxinas são hidrofílicas (log P negativo) e em pH neutro o grupo guanidino 1,2,3 possui carga positiva e o 7,8,9 parcialmente desprotonado, enquanto que o β-estradiol é hidrofóbico e neutro no valor de pH em torno de 5 (valor no qual foram realizados os ensaios).
As remoções de Neo-STX (hidrofílica) foram menores do que para o β-estradiol (hidrofóbico). Segundo Braeken et al. (2005) solutos hidrofóbicos podem adsover nas membranas e permear através das membranas mais facilmente, enquanto moléculas
hidrofílicas, que possuem alta afinidade pela água, apresentam melhores remoções por membranas de nanofiltração do que os solutos hidrofóbicos tamanhos semelhantes. Para explicar a correlação entre hidrofobicidade e remoção por membranas de nanofiltração, Braeken et al. (2005), consideram a estrutura molecular dos compostos orgânicos em geral. Moléculas hidrofílicas, geralmente, possuem mais grupos hidroxilas (-OH) ou carbonila (=O), os quais podem formar pontes de hidrogênio com moléculas de água. Devido a esses grupos polares, compostos hidrofílicos têm mais alta afinidade pela água e permeiam menos através da estrutura da membrana. Assim, quando esses compostos se associam com as moléculas de água, o diâmetro efetivo (hidratado) da molécula pode aumentar. Para compostos hidrofóbicos que possuem menos grupos polares, poderão pemear mais facilmente através de membranas. No caso do presente estudo a molécula de Neo-STX possui mais grupos hidroxilas (três) e carbonila (um) do que o composto hidrofóbico β- estradiol, portanto com mais possibilidades de formação de pontes de hidrogênio, mas apresentou menores porcentagens de remoção. Contradizendo as observações de Braeken et al. (2005) e em concordância com o presente trabalho de mestrado, Yoon et al. (2007) verificaram aumento de remoção de diversas substâncias com o aumento do log Kow (hidrofobicidade).
Além das concentrações iniciais e interferentes que podem ter influenciado na remoção, a interação eletrostática deve ser levada em consideração para explicar, também, as baixas taxas de remoção das saxitoxinas. As hipóteses de Braeken et al. (2005) parecem ser coerentes para solutos neutros, no entanto a saxitoxina possui carga e isso pode ter influenciado negativamente no processo de remoção. As forças de atração entre soluto e membrana permitem que o soluto se difunda e permeie mais facilmente através da membrana (Verliefde et al, 2007). O fato da Neo-STX apresentar uma carga positiva no grupo guanidino 1,2,3, facilita a proximidade da saxitoxina com a membrana e favorece as interações hidrofóbicas podendo facilitar a permeação deste contaminante através das membranas.
Interessante observar, também, que o peso molecular da Neo-STX (315,3g/mol) é menor que o peso molecular de corte da membrana de acetato de celulose (tipo A) e esta membrana apresentou maior remoção desse composto do que a membrana composta (tipo B), com peso molecular de corte mais baixo, inclusive abaixo do peso molecular da Neo- STX. Como discutido por alguns autores, nem sempre o peso molecular do contaminante e
o MWCO da membrana são os melhores parâmetros para predizer a remoção de um contaminante. No caso de moléculas carregadas a rejeição parece ser governada por efeitos eletrostáticos e o efeito de peneiramento parece ser menos pronunciado (Verliefde et al., 2007). No entanto, é interessante que em trabalhos futuros se obtenha, também, o tamanho do poro da membrana e compare este com o tamanho da molécula, com intuito de se entender melhor o efeito do peneiramento.
Não se encontrou uma explicação para a melhor rejeição de Neo-STX na membrana tipo A do que para a membrana tipo B. Os ângulos de contato das duas (que representa a hidrofobicidade) são bem próximos e parece não ser a razão. A membrana composta (tipo B) possui uma carga negativa maior do que a membrana de acetato de celulose (tipo A) e esse fato pode ter contribuído para uma maior atração entre a neo-STX e a membrana composta, prejudicando, assim, a eficiência de remoção de Neo-STX por esta membrana.
5.2.3 - Influência do pH na remoção das saxitoxinas
Para a membrana de acetato de celulose, que apresentou melhor remoção das saxitoxinas avaliadas, foram realizados novos ensaios para verificação da influência do valor de pH na remoção. Foram realizados dois ensaios, um com valor de pH em torno de 5 e outro com valor de em torno de pH 10,5. Cabe mencionar, que o fabricante recomenda para a membrana de acetato de celulose uma faixa de valor de pH de trabalho entre 2 e 8. No entanto, para avaliar o efeito de um pH acima do pKa dos contaminantes e para obter o mesmo pH utilizado nos ensaios com β-estradiol , utilizou-se o pH 10,5. Embora o uso prolongado da membrana nesse valor de pH possa causar danos a sua estrutura, em função do tempo de duração do ensaio estima-se que nenhum dano tenha ocorrido. O valor de pH 5 foi escolhido para efeitos de comparação com os ensaios com β-estradiol.
No caso destes ensaios com correção de valor de pH da água tipo II, foi realizado um controle de degradação natural das saxitoxinas por meio da observação do comportamento da concentração da amostra inicial de concentrado ao longo do tempo de duração do ensaio, já que a literatura aborda bastante a questão de intertransformações das saxitoxinas, principalmente em valores de pH elevados (Ceballos et al., 2006; Jones e Negri, 1997; Castro et al., 2004; Indrasena e Gill, 1999; Indrasena e Gill, 2000). Foram retiradas três amostras da água de estudo, antes do início do ensaio. Uma, antes da correção do pH e
duas depois da correção do valor de pH. Depois do pH corrigido, dos 200 ml retirados do reservatório de alimentação, um volume de 100 ml foi separado e imediatamente congelado para posterior análise da concentração inicial das saxitoxinas. Os outros 100 ml foram colocados em um bequer (fora do sistema de separação) que ficou sob agitação